Des chercheurs du Beckman Institute for Advanced Science and Technology ont développé une nouvelle méthode pour améliorer la capacité de détection de l'imagerie chimique à l'échelle nanométrique en utilisant la microscopie à force atomique. Ces améliorations réduisent le bruit associé au microscope, augmenter la précision et la gamme des échantillons qui peuvent être étudiés.

L'étude "Closed-Loop Atomic Force Microscopy-Infrared Spectroscopic Imaging for Nanoscale Molecular Characterization" a été publiée dans Communication Nature .

La microscopie à force atomique est utilisée pour balayer les surfaces des matériaux afin de générer une image de leur hauteur, mais la technique ne permet pas d'identifier facilement la composition moléculaire. Les chercheurs ont déjà développé une combinaison d'AFM et de spectroscopie infrarouge appelée AFM-IR. Le microscope AFM-IR utilise un cantilever, qui est une poutre qui est reliée à un support à une extrémité et à une pointe acérée à l'autre, pour mesurer les mouvements subtils de l'échantillon introduit en faisant briller un laser IR. L'absorption de la lumière par l'échantillon l'amène à se dilater et à dévier le porte-à-faux, générer un signal infrarouge.

« Bien que la technique soit largement utilisée, il y a une limite à ses performances, " dit Rohit Bhargava, un professeur fondateur d'ingénierie et le directeur du Cancer Center de l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign. "Le problème est qu'il y avait des sources de bruit inconnues qui limitaient la qualité des données."

Les chercheurs ont créé un modèle théorique pour comprendre le fonctionnement de l'instrument et donc identifier les sources de bruit. En outre, ils ont développé une nouvelle façon de détecter le signal IR avec une précision améliorée.

« La déflexion en porte-à-faux est sensible au bruit qui s'aggrave à mesure que la déflexion augmente, " dit Seth Kenkel, un étudiant diplômé du Laboratoire d'Imagerie Chimique et Structures, qui est dirigé par Bhargava. "Au lieu de détecter la déviation du porte-à-faux, nous avons utilisé un composant piézo comme étage pour maintenir une déflexion nulle. En appliquant une tension au matériau piézo, nous pouvons maintenir une petite déviation avec un faible bruit tout en enregistrant les mêmes informations chimiques qui sont maintenant codées dans la tension piézo."

Au lieu de déplacer le porte-à-faux, les chercheurs utilisent le mouvement du cristal piézo pour enregistrer le signal infrarouge. "C'est la première fois que quelqu'un contrôle un actionneur piézo pour détecter le signal. D'autres chercheurs contournent des défis tels que le bruit en utilisant des systèmes de détection plus complexes qui ne résolvent pas les problèmes sous-jacents associés à l'AFM-IR, ", a déclaré Kenkel.

"Les gens n'ont pu utiliser cette technique que pour mesurer des échantillons qui ont un signal fort en raison du problème de bruit, " dit Bhargava. " Avec la sensibilité améliorée, nous pouvons imager un volume d'échantillons beaucoup plus petit, comme les membranes cellulaires."

En plus de mesurer des échantillons plus divers, les chercheurs espèrent également utiliser cette technique pour mesurer des volumes d'échantillons plus petits. "Nous pourrions utiliser cette technique pour regarder des mélanges complexes qui sont présents dans de petits volumes, comme une seule bicouche lipidique, " dit Bhargava.

"La nouvelle technique développée par le laboratoire de Bhargava est passionnante. Notre groupe est intéressé à utiliser cette technique immédiatement pour en savoir plus sur la déformation des protéines sur des surfaces complexes, " a déclaré Catherine Murphy, le chef du département de chimie et la chaire Larry Faulkner en chimie.